CETAL | PCE Projects (PN-III-P4-IDPCE) | PCE 57

                  PED470/2021       
    

    

PCE 57/ 2021 Project


English (Engleză)
Project number: PN-III-P4-ID-PCE-2020-1634

Project title: Use of enhanced topology in engineering of additive manufactured parts made of composite materials

Financial support:
Romanian National Authority for Scientific Research and Innovation, CNCS-UEFISCDI

Periode: January 2021 - December 2023  

Contact Person:
Project Director: Dr. Ing. Andrei Popescu (INFLPR)

Coordinator:
National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics - I.N.F.L.P.R.
Atomiștilor 409, Măgurele, Romania
 
Abstract:
Metal matrix composites are materials with a main metallic constituent in which there is a dispersed phase of ceramic or organic material. They benefit from properties of interest of the metallic material such as low weight, elasticity or biocompatibility and add other properties such as high strength, low or high friction coefficient or high thermal conductivity. During this project, we aim to synthesize in situ composites using a 3D printing method called Laser Melting Deposition in which a powder jet is blown into a laser spot and is locally molten. The matrix will be made of Ti, while the dispersed phase will be a hard ceramic (TiC, ZrC or TiN). After optimizations, we hope to obtain a composite with mechanical properties superior to bare Ti with a microstructure in which the particles are homogeneously dispersed. Once the optimal powder feeding rate is established, a part with optimized topology will be designed in a CAD/CAM software automatically, after analysis of the build constrictions and forces that will act upon the object’s surface. The software generates an optimal shape that will have maximum resistance to the forces acting upon it. Such parts have convoluted shapes and could be difficult (sometimes impossible) to be produced by conventional manufacturing techniques. Additive manufacturing could be therefore the only method to produce in situ metal matrix composite materials simultaneously with building complex shapes with optimized topology.

Project objective:
The main objective of the project is to obtain MMC materials in situ by LMD. There are two distinct paths towards reaching this objective: I) the starting material will be a mixed powder of matrix and dispersed phase materials that will be blown into the laser spot from a single powder feeder and II) matrix powder will be inserted into a powder feeder, while dispersed phase powder will be inserted into a second powder feeder and they will be blown into the laser spot concomitantly with different debit rates in order to reach a desired proportion of dispersed phase into the matrix.

Estimated results:
1. 3 ISI papers
2. 2 invited communications
3. 4 oral communications
4. 3 national patents requests
5. 3 internal presentations for de Institute personnel
6. Project website

Research Team:     
        • Dr. Andrei POPESCU
        • Dr. Diana CHIOIBASU
        • PhD student Vlad TOMA
        • PhD student Sabin MIHAI     
    
   

Română (Romanian)
Numar proiect: PN-III-P4-ID-PCE-2020-1634

Titlul proiectului: Utilizarea design-ului generativ in fabricarea aditiva a pieselor din materiale compozite

Suport financiar:
Autoritatea Nationala Romana pentru Cercetare Stiintifica si Inovare, CNCS-UEFISCDI

Perioada: Ianuarie 2021 – Decembrie 2023

Persoana de contact:
Director Proiect: Dr. Ing. Andrei Popescu (INFLPR)
 
Coordonator:
Institutul Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației - I.N.F.L.P.R.
Atomiștilor 409, Măgurele, ROMÂNIA
 
Abstract:
Compozitele cu matrice metalica sunt materiale cu o faza metalica majoritara in care este dispersat un material ceramic sau organic. Ele beneficiaza de proprietatile materialului metalic, precum masa redusa, elasticitate mare sau biocompatibilitate ridicata, la care se adauga alte proprietati determinate de faza dispersata precum rezistenta ridicata la rupere, coeficient mai bun de frecare sau conductivitate termica mai buna. In acest proiect, vom produce in situ materiale compozite utilizand o metoda de imprimare 3D numita Depunere Laser prin Topire. Matricea va fi realizata din Ti, iar faza dispersata va fi o pulbere de ceramica dura (TiC, ZrC sau TiN). Dupa optimizari, speram sa obtinem un compozit cu proprietati mecanice superioare titanului pur si cu o microstructura in care particulele sunt dispersate omogen. Odata stabilita rata de livrare a pulberii, o piesa cu topologie optimizata va fi proiectata automat intr-un software CAD-CAM, dupa analiza constrangerilor si fortelor care vor actiona asupra piesei. Rezulta astfel o forma optima care va avea rezistenta maxima la fortele care actioneaza asupra sa. Astfel de piese au forme complexe si pot fi dificil (cateodata imposibil) de produs prin tehnici conventionale de fabricare. Fabricarea aditiva ar putea fi de aceea singura metoda pentru a produce in situ compozite cu matrice metalica, simultan cu constructia unor forme complexe cu topologie optimizata.

Obiectivul proiectului:
Principalul obiectiv al proiectului este de a obtine materiale compozite cu matrice metalica in situ prin tehnica LMD. Pentru atingerea obiectivului se vor urmari doua directii: I) materialul cu matrice metalica si faza dispersata vor fi amestecate in prealabil si materialul rezultat va fi suflat in spotul laser prin intermediul unui distribuitor de pulbere plecand dintr-un singur recipientsi II) materialul cu matrice metalica va fi introdus in primul recipient, in timp ce faza dispersata va fi introdusa in cel de-al doilea recipient si cele doua materiale vor fi suflate in spotul laser concomitent in debite de pulbere diferite cu scopul de a obtine proportia dorita de faza dispersata in matricea metalica.
 
Rezultate estimate:
1. 3 articole stiintifice
2. 2 prezentari orale invitate
3. 4 prezentari orale
4. 3 cereri de brevet de inventie
5. 3 seminarii interne in Institut
6. Pagina web proiect

Echipa de cercetare:     
        • Dr. Andrei POPESCU
        • Dr. Diana CHIOIBASU
        • PhD student Vlad TOMA
        • PhD student Sabin MIHAI     
    

Etapa 1
• s-au identificat parametrii optimi de procesare pentru realizarea de materiale MMC cu matrice de Ti si ceramica TiC in concentratii de wt.%1, wt.%2 si respectiv wt.%3 utilizand tehnica LMD
• s-a analizat microstructura TMC-urilor prin microscopie optica si electronica
• s-a testat microduritatea materialelor obtinute
• s-a studiat compozitia elementelor prin EDX
• s-au fabricat esantioane in vederea determinarii rezistentei la rupere a probelor de TMC
• s-au realizat teste de uzura a suprafetelor obtinute prin LMD din TMC in vederea identificarii unei compozitii de TiC optime
• s-au elaborat grafice comparative pentru fiecare test (uzura, duritate, rupere) in vederea identificarii compozitiei de TiC optime pentru imbunatatirea proprietatilor mecanice
    
Etapa 2
In aceasta faza de proiect s-au obtinut urmatoarele livrabile si indicatori de rezultat:
• s-au utilizat parametrii optimi de procesare identificati in etapa anterioara a proiectului pentru realizarea de materiale MMC cu matrice de Ti si ceramica TiC in concentratii de 5%, wt.%10 si respectiv wt.%15 utilizand tehnica LMD
• s-a analizat microstructura TMC-urilor prin microscopie optica si electronica
• s-a testat microduritatea materialelor obtinute
• s-a studiat compozitia elementelor prin EDX
• s-au fabricat esantioane in vederea determinarii rezistentei la rupere a probelor de TMC
• s-au realizat teste de uzura a suprafetelor obtinute prin LMD din TMC in vederea identi-ficarii unei compozitii de TiC optime
• s-au elaborat grafice comparative pentru fiecare test (uzura, duritate, rupere) in vederea identificarii compozitiei de TiC optime pentru imbunatatirea proprietatilor mecanice
    
Etapa 3
In acesta faza a proiectului de cercetare s-au obtinut urmatoarele livrabile si indicatori de rezultat:
• s-au elaborat grafice comparative pentru fiecare test (uzura, duritate, rupere) in vederea identificarii compozitiei de TiC optime pentru imbunatatirea proprietatilor mecanice
• s-a realizat modelarea 3D a unui brat robotic si s-au aplicat constrangerile si fortele la care este solicitata in vederea identificarii unei forme cu masa redusa
• s-au identificat parametrii optimi cu privire la strategia de scanare pentru obtinerea de piese 3D din MMC cu geometrie complexa obtinuta prin design generativ: traiectoria de scanare, distanta de separare intre linii pe axa orizontala si cea verticala.
• s-a realizat o curba de calibrare a inaltimii pieselor obtinute prin LMD din TMC in functie de parametrii de procesare optimi
• s-au realizat demonstratoare cu forma optimizata prin design generativ si structuri de tip retea prin tehnica LMD plecand de la materiale sub forma de pulberi metalice si ceramice.

Rezultatele proiectului au fost diseminate prin publicarea 13 articole stiintifice, 3 cereri de brevet de inventie si 13 prezentari orale la conferinte internationale si nationale, 3 seminarii stintifice si 1 documentatie tehica dupa cu urmeaza:

-Articole stiintifice
• Tribology and corrosion behavior of gray cast iron brake discs coated with Inconel 718 by direct energy deposition Chioibasu, D., Mihai, S., Cotrut, C.M. et al.. Int J Adv Manuf Technol 121, 5091–5107 (2022)
• Post-Processing Techniques to Enhance the Quality of Metallic Parts Produced by Addi-tive Manufacturing, M. A. Mahmood, D. Chioibasu, A. Ur Rehman, S. Mihai, A.C. Popescu, Metals vol 12, pp 77 (2022)
• Grain-based morphological simulation via fractal theory with experimental verification and corresponding optical properties in laser melting deposition additive manufacturing: A demystified approach, M. A. Mahmood, A. Ur Rehman, K. Ishfaq, A. C. Popescu, M. Bojan, I. N. Mihailescu, Applied Mathematical Modelling vol 109, pp 304-317 (2022)
• Laser additive manufacturing of bulk and powder ceramic materials: mathematical model-ing with experimental correlations, M. A. Mahmood, A. C. Popescu, M.Oane, C. Ris-toscu, I. N. Mihailescu, Rapid Prototyping Journal, Vol. 28 No. 8, pp. 1520-1529 (2022)
• Laser Additive Manufacturing of Bulk Silicon Nitride Ceramic: Modeling versus Integral Transform Technique with Experimental Correlation, Mihailescu, Cristian N., Mihai Oane, Bogdan A. Sava, Andrei C. Popescu, Mihail Elisa, Muhammad Arif Mahmood, Natalia Mihailescu, Ana V. Filip, Sinziana Andreea Anghel, Ion N. Mihailescu, and Car-men Ristoscu, Crystals 12, no. 8: 1155 (2022)
• Printed Layers Height Calibration Curve and Porosity in Laser Melting Deposition of Ti6Al4V combining Experiments, Mathematical Modelling, and Deep Neural Network, Muhammad Arif Mahmood; Diana Chioibasu; Sajjad Uzair; Sabin Mihai; Ion Tiseanu; Andrei C. Popescu, Rapid Prototyping Journal (2023), acceptat spre publicare in 27.11.2023.

- Cereri de brevet de inventie
• D. Chioibasu, S. Mihai, I. Tiseanu, A. Popescu „Metodă de fabricație aditivă de compo-nente metalice pe substraturi de grafit” (A/00472/03.08.2022)
• D. Chioibasu, S. Mihai, M. A. MAHMOOD, A. POPESCU, P. MINCIUNESCU, „PROCEDEU DE SUDARE LASER A MATERIALELOR METALICE UTILIZAND TEHNICA DEPUNERE LASER PRIN TOPIRE” (A/00001/05.01.2022)
• D. Chioibasu, S. Mihai, P. V. TOMA, A. POPESCU, „PROCEDEU DE CARACTERIZARE IN TIMP REAL A CALITATII MATERIALELOR COMPOZITE OBTINUTE PRIN TEHNICA DE DEPUNERE LASER PRIN TOPIRE” (A/00614/27.10.2023)

- Prezentari orale la conferinte internationale si nationale
• Andrei C. Popescu Sabin Mihai, Diana Chioibasu, Muhammad A. Mahmood, Mihai Iovea, Ion N Mihailescu, Marc Leparoux, EMERGING TECHNIQUES FOR IN SITU MONITORING OF LASER WELDING PROCESS, 4th International Conference on Emerging Technologies in Materials Engineering – EmergeMAT, 4-6 November 2021, Bucharest, Romania. (prezentare invitata)
• Ion Mihailescu, Muhammad Arif Mahmood, Mihai Oane, Carmen Ristoscu, Andrei Popescu, Alexandra Banica, Diana Chioibasu. Laser Melting Deposition: Modelling vs. Experiment. Conference: Frontiers in Lasers and Applications (FLA-2) At: Web-Event Affiliation: University of Nebraska at Lincoln 10.13140/RG.2.2.29017.24164. (2021). (prezentare invitata)
• „In situ quality control techniques for industrial laser welding”, A. C. Popescu, D. Chi-oibasu, S. Mihai, prezentare plenara la Conferinta “Procedes Lasers pour l’ Industrie”, Sa-int Etienne, Franta, Iunie 2022
• „Predicting Laser Melting Deposition Outcomes by Computationally Efficient Analytical Models with Experimental Verification”, A. C. Popescu, M. A. Mahmood, prezentare invitata la 2nd Global Summit on 3D Printing & Additive Manufacturing, Copenhaga, Danemarca, Iunie 2022
• “Analytical modelling of directed energy deposition additive manufacturing processes”, A. C. Popescu, M. A. Mahmood, D. Chioibasu, S. Mihai, prezentare orala la International Conference on Laser, Plasma and Radiation – Science and Technology, Bucuresti, Roma-nia, Iunie 2022
• „Metallic Implants Fabricated by Additive Manufacturing Technologies” Diana Chioi-basu, Sabin Mihai, Andrei C. Popescu prezentare invitata la 2nd Global Summit on 3D Printing & Additive Manufacturing, Copenhaga, Danemarca, Iunie 2022
• „Development of Ti based Metal Matrix Composites by Laser Melting Deposition Tech-nique” Sabin Mihai, Diana Chioibasu, Andrei C. Popescu prezentare invitata la 2nd Glob-al Summit on 3D Printing & Additive Manufacturing, Copenhaga, Danemarca, Iunie 2022
• „Medical devices manufactured by laser powder bed fusion and directed energy deposi-tion”, D. Chioibasu, S. Mihai, A. C. Popescu, prezentare orala la Conferinta “Procedes Lasers pour l’ Industrie”, Saint Etienne, Franta, Iunie 2022
• „Medical devices of titanium alloys obtained by laser additive manufacturing techniques” D. Chioibasu, S. Mihai, A. C. Popescu, prezentare orala la International Conference on Laser, Plasma and Radiation – Science and Technology, Bucuresti, Romania, Iunie 2022
• „Analytical modelling of directed energy deposition additive manufacturing processes”, Andrei C. POPESCU, Muhammad Arif MAHMOOD, prezentare invitata la Conferinta „8th European Congress on 3D Printing & Additive Manufacturing” Amsterdam, Olanda, 02-03 Octombrie, 2023
• „Tribology and corrosion behavior of Gray Cast Iron brake discs coated with Inconel 718 by Direct Energy Deposition”, Diana CHIOIBASU, Sabin MIHAI si Andrei C. POPESCU, prezentare orala la Conferinta „8th European Congress on 3D Printing & Additive Manufacturing” Amsterdam, Olanda, 02-03 Octombrie, 2023
• „Metal Matrix Composites manufactured by Laser Metal Deposition”, Sabin Mihai, Diana Chioibasu si Andrei C. Popescu, prezentare invitata la Conferinta „8th European Congress on 3D Printing & Additive Manufacturing” Amsterdam, Olanda, 02-03 Octombrie, 2023
• „In situ monitoring of additive manufactured metal matrix composites materials via infrared thermography and high-speed imaging”, P. V. Toma, D. Chioibasu, S. Mihai., A. Sima, I. Tiseanu si A. C. Popescu, prezentare orala la Conferinta „8th European Congress on 3D Printing & Additive Manufacturing” Amsterdam, Olanda, 02-03 Octombrie, 2023

- Documentatie tehnica:
• D. Chioibasu, S. Mihai, A. Popescu „Brat robotic cu geometrie optimizata topologic si fabricat prin tehnica de depunere laser prin topire” cod intern 23DEM32001.

- Seminarii stiintifice:
• A.C. Popescu “Imprimare 3D de materiale compozite pe baza de titan prin depunere cu energie directionata”
• S. Mihai „Tehnici emergente pentru monitorizarea in situ a procesului de sudare laser”
• D. Chioibasu “Tribology and corrosion behavior of Gray Cast Iron brake discs coated with Inconel 718 by Direct Energy Deposition”